Khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy x quang chuẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Võ Thị Thùy Dung KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh -2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Võ Thị Thùy Dung KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN Thành phố Hồ Chí Minh-2012 LỜI CẢM ƠN Trong trình hoàn thành luận văn, nhận nhiều quan tâm, động viên, giúp đỡ quý thầy cô, gia đình bạn bè Xin cho phép bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến: TS Trương Thị Hồng Loan, người theo dõi suốt trình thực luận văn Cô người giảng dạy, hướng dẫn học phương pháp mô Monte Carlo gợi ý sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N – Particle) nghiên cứu đề tài Cô người truyền cho say mê nghiên cứu khoa học, có góp ý quý báu cho trình tiến hành luận văn Các thành viên nhóm MCNP Bộ môn Vật lý hạt nhân : Cô Trương Thị Hồng Loan, anh chị: Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Lê Thanh Xuân, Nguyễn Thị Cẩm Thu hỗ trợ, đóng góp ý kiến bên cạnh giúp đỡ trình tiến hành luận văn ThS Thái Mỹ Phê giúp việc tiến hành đo đạc thực nghiệm bệnh viện Nhi đồng Bác sĩ Nguyễn Anh Tuấn bệnh viện Nhi đồng I cho phép tiến hành đo đạc thực nghiệm bệnh viện Ngoài xin chân thành cảm ơn đến kĩ sư hãng Shimadzu người cung cấp cho tài liệu máy X quang hãng hỗ trợ nhiều việc tìm hiểu cấu tạo máy X quang Tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè ủng hộ động viên để hoàn thành khóa học Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2012 VÕ THỊ THÙY DUNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG 10 MỞ ĐẦU 11 Chương 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X 16 1.1 Cấu tạo máy phát X quang thông thường 16 1.1.1 Cấu tạo ống phát tia X 16 1.1.2 Bộ lọc tia .35 1.1.3 Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) 36 1.2 Nguyên lý trình phát tia X 39 1.2.1 Nguyên lý tạo tia X .39 1.2.2 Các tính chất tia X 47 1.3 Nguyên lý hoạt động máy phát tia X 51 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều tia X 52 Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ 57 2.1 Các hiệu ứng sinh học xạ ion hóa 57 2.1.1 Cơ chế tác dụng xạ ion hóa 57 2.1.2 Những tổn thương xạ ion hóa 58 2.2 Các tiêu chuẩn an toàn xạ .61 2.2.1 Lịch sử xây dựng tiêu chuẩn an toàn xạ giới 61 2.2.2 Các khuyến cáo an toàn xạ ICRP .61 2.2.3 Các tiêu chuẩn an toàn xạ IAEA [6][34][35][38] 63 2.2.4 Giới hạn liều .64 2.3 An toàn xạ quan y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam 65 2.3.1 Các quy chế an toàn xạ ban hành Việt Nam .65 2.3.2 Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 an toàn xạ ion hóa sở X quang y tế 66 Chương 3: KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP 72 3.1 Giới thiệu chương trình MCNP 72 3.1.1 Lịch sử chương trình MCNP 72 3.1.2 Dữ liệu hạt nhân phản ứng MCNP 74 3.1.3 Cấu trúc chương trình MCNP 75 3.1.4 Độ xác kết nhân tố ảnh hưởng 77 3.2 Tally đánh giá 78 3.2.1 Tally F4 .78 3.2.2 Tally Fmesh4 79 3.2.3 Tally F2 .79 3.3 Kết khảo sát phân bố liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế chương trình MCNP 79 3.3.1 Mô tả phòng X quang thường quy bệnh viện Nhi đồng I 80 3.3.2 Kiểm tra hiệu lực mô hình - chuẩn hóa kết mô 84 3.3.3 Mô phân bố suất liều phòng chụp X quang tally Fmesh với chế độ chiếu chụp khác 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALARA As Low As Reasonably Achievable ACTL The Activation Library ENDF The Evaluated Nuclear Data File ENDL The Evaluated Nuclear Data Library IAEA International Atomic Energy Agency ICRP International Commission on Radiological Protection ICRU The International Commission on Radiation Units and Measurements MCNP Monte Carlo N-Particle NCRP National Council on Radiation Protection and Measurement DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang thông thường 16 Hình 1.2 Những phận ống phát tia X thông thường 17 Hình 1.3 Các phận ống tia X máy chụp X quang đại 18 Hình 1.4 Cấu trúc cathode ống tia X sợi đốt Volfram nằm chén hội tụ 19 Hình 1.5 Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron chén tội tụ 20 Hình 1.6 Các thành phần ống tia X có anode cố định gồm bia Vonfram gắn vào khối đồng 21 Hình 1.7 Vết hội tụ bóng X quang có anode cố định 22 Hình 1.8 Hình dạng anode xoay 23 Hình 1.9 Cấu tạo anode xoay 24 Hình 1.10.a Mặt cắt anode RTM 25 Hình 1.10.b Mặt cắt anode RTM- than chì 25 Hình 1.11 Vết tiêu thực vết tiêu hiệu dụng anode 26 Hình 1.12 Vùng tiêu điểm thực tiêu điểm hiệu dụng 27 Hình 1.13 Phương pháp chụp ảnh qua lỗ ngắm để xác định kích thước tiêu điểm 28 Hình 1.14 Anode sử dụng hai vết tiêu lớn nhỏ 29 Hình 1.15 Ảnh hưởng góc nghiêng anode lên kích thước vết tiêu hiệu dụng 30 Hình 1.16 Sự phân bố không đồng chùm tia X theo phương song song với trục Cathode - Anode 31 Hình 1.17 Ảnh hưởng hiệu ứng chân lên khoảng cách đặt phim 31 Hình 1.18 Bầu thủy tinh chứa anode quay 32 Hình 1.19 Mặt cắt ống tia X loại có anode quay hãng Shimadzu 33 Hình 1.20 Bộ lọc hấp thụ photon lượng thấp cho photon lượng cao qua 35 Hình 1.21 Phổ tia X tạo điện áp đỉnh 150 kVp anode làm Vonfram 36 Hình 1.22 Cấu trúc bên hệ chuẩn trực đầu đèn 39 Hình 1.23 Mặt cắt ngang chuẩn trực loại R20-J hãng Shimadzu 38 Hình 1.24 Bức xạ hãm phát electron tương tác với hạt nhân bia 40 Hình 1.25 Electron va chạm trực diện với hạt nhân làm phát xạ hãm có lượng cực đại 41 Hình 1.26 Sự phân bố lượng xạ hãm giá trị điện áp đỉnh 90 kVp (trong trường hợp lọc (đường đứt nét) có lọc tia (liền nét) 41 Hình 1.27 Tương tác làm phát xạ tia X đặc trưng 44 Hình 1.28 Các dãy phổ ứng với chuyển dời electron nguyên tử 46 Hình 1.29 Các vạch xạ đặc trưng ứng với dịch chuyển xạ hãm Vonfram điện áp 90kVp 47 Hình 1.30 Cường độ phát xạ tia X thay đổi mạnh theo giá trị kVp, giữ giá trị dòng qua ống thời gian chiếu không đổi 53 Hình 1.31 Ảnh hưởng mA lên hiệu suất phát tia X 55 Hình 3.1 Quang cảnh phòng chụp X quang thường quy bệnh viện Nhi đồng I 80 Hình 3.2 Mô 3D phòng X quang Nhi đồng I chương trình MCNP5 81 Hình 3.3 Mô lớp chì trần, chì tường, chì ốp cửa, kính chì,vị trí ống phát tia X MCNP5 81 Hình 3.4 Máy X quang sử dụng bệnh viện Nhi đồng I 82 Hình 3.5 Kích thước cấu hình đầu bóng phát tia X tính theo mm (inch) 82 Hình 3.6 Cấu trúc collimator loại R-20J 83 Hình 3.7 Mô hình ống phát tia X hệ thống Collimator hãng Shimadzu 82 Hình 3.8 Vỏ ống chân không cấu trúc bên collimator 84 Hình 3.9 Anode hệ thống cửa sổ Bakelite, lớp collimator 84 Hình 3.10 Hình chụp vị trí đặt cell khảo sát liều vẽ MCNP5 86 Hình 3.11 Đồ thị suất liều (theo khoảng cách nguồn – máy đo) 88 Hình 3.12 Mô phổ tia X giá trị điện áp 100kV 89 Hình 3.13 Mô phân bố suất liều vị trí bàn bệnh nhân chế độ chụp 70 kVp, 200 mA, 100 ms 91 Hình 3.14 Mô phân bố suất liều mặt (xy) chế độ chụp ngực 92 Hình 3.15 Mô phân bố suất liều mặt (xy) chế độ chụp chân 92 Hình 3.16 Mô phân bố suất liều mặt (xy) chế độ chụp tay 92 Hình 3.17 Mô phân bố suất liều mặt (xy) ứng với chụp bụng 75kV 93 Hình 3.18 Mô phân bố suất liều mặt (xy) chế độ chụp bụng 90kV 94 Hình 3.19 Mô phân bố suất liều mặt (xy) chế độ chụp nhũ – lưng 95 Hình 3.20 Mô phân bố suất liều mặt (x,y) chế độ chụp sọ 95 Hình 3.21 Mô phân bố suất liều mặt (x,y) chế độ chụp đầu gối 96 Hình 3.22 Mô phân bố suất liều mặt (x,y) chế độ chụp ngực AP 96 Hình 3.23 Phân bố suất liều cho khu vực phòng chụp dự kiến thu hẹp kích thước 98 Hình 3.24 Phân bố suất liều phòng chụp giảm kích thước 99 Hình 3.25 Mô suy giảm suất liều qua khu vực tường 100 Hình 3.26 Mô suy giảm suất liều qua cửa bệnh nhân tường 101 Hình 3.27 Sự suy giảm chùm tia qua tường phòng X quang 102 Hình 3.28 Mô phân bố liều mặt (x,y) phòng chụp sát trần nhà 102 Hình 3.29 Mô phân bố suất liều (x,y) khu vực trần có lót chì 103 Hình 3.30 Sự suy giảm suất liều qua tường ngăn cách hành lang bệnh viện 104 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tiêu chuẩn độ bền dầu máy biến áp 34 Bảng 1.2 Năng lượng liên kết electron lớp K ứng với số vật liệu anode 46 Bảng 1.3 Bước sóng loại sóng điện từ 47 Bảng 2.1 Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều 60 Bảng 2.2 Giới hạn liều chiếu khuyến cáo ICRP 65 Bảng 2.3 Liều giới hạn năm 66 Bảng 2.4 Liều khuyến cáo cho phim chụp X quang quy ước bệnh nhân (TCVN 6561:1999) 66 Bảng 2.5 Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho lần chụp phim 67 Bảng 2.6 Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang loại theo (TCVN 6561:1999) 69 Bảng 3.1 Kết đo suất liều theo khoảng cách 84 Bảng 3.2 Giá trị suất liều mô khoảng cách khảo sát sai số thống kê tương đối tương ứng 86 Bảng 3.3 Các chế độ chụp phòng X quang chẩn đoán thường quy bệnh viện nhi đồng I 87 Bảng 3.4 So sánh giá trị suất liều chế độ chụp 90 Bảng 3.5 So sánh kết mô thực nghiệm đỉnh tia X đặc trưng Vonfram 99 [...]... ICRP 65 Bảng 2.3 Liều giới hạn trong một năm 66 Bảng 2.4 Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với bệnh nhân (TCVN 6561:1999) 66 Bảng 2.5 Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp 1 phim 67 Bảng 2.6 Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt m y X quang các loại theo (TCVN 6561:1999) 69 Bảng 3.1 Kết quả đo suất liều theo khoảng cách... cách 84 Bảng 3.2 Giá trị suất liều mô phỏng tại các khoảng cách khảo sát và sai số thống kê tương đối tương ứng 86 Bảng 3.3 Các chế độ chụp của phòng X quang chẩn đoán thường quy tại bệnh viện nhi đồng I 87 Bảng 3.4 So sánh giá trị suất liều giữa các chế độ chụp 90 Bảng 3.5 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các đỉnh tia X đặc trưng của Vonfram ...Hình 3.30 Sự suy giảm suất liều khi đi qua tường ngăn cách hành lang bệnh viện 104 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tiêu chuẩn độ bền của dầu m y biến áp 34 Bảng 1.2 Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode 46 Bảng 1.3 Bước sóng của các loại sóng điện từ 47 Bảng 2.1 Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều 60 Bảng 2.2 Giới hạn liều chiếu khuyến cáo của ICRP ... x ion hóa sở X quang y tế 66 Chương 3: KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG M Y X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP 72 3.1 Giới thiệu chương trình MCNP ... SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Võ Thị Th y Dung KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG M Y X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số... 3.2.1 Tally F4 .78 3.2.2 Tally Fmesh4 79 3.2.3 Tally F2 .79 3.3 Kết khảo sát phân bố liều xung quanh phòng m y X quang chẩn đoán y tế chương trình MCNP